(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、前記電極の上方に形成された圧電体層とを備えた圧電素子の製造方法であって、
第１圧電体膜形成用組成物を塗布して第１圧電体前駆体膜を形成する工程及び該第１圧電体前駆体膜を加熱することにより結晶化させて第１圧電体膜を形成する工程を備え、Ａサイトに、カリウム及びナトリウムを含み、Ｂサイトにニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電材料からなる第１圧電体膜を有する第１圧電体層を前記電極上方に形成する工程と、
気相成長法により、ニオブ酸カリウムナトリウム、鉄酸ビスマス、鉄酸マンガン酸ビスマス、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、又はチタン酸ビスマスナトリウムからなる中間層を、前記第１圧電体層上に形成する工程と、
第２圧電体膜形成用組成物を塗布して第２圧電体前駆体膜を形成する工程及び該第２圧電体前駆体膜を加熱することにより結晶化させて第２圧電体膜を形成する工程を備え、Ａサイトに、カリウム及びナトリウムを含み、Ｂサイトにニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電材料からなる第２圧電体膜を有する第２圧電体層を前記中間層上に形成する工程と、
を具備し、前記第１圧電体層、中間層、及び前記第２圧電体層からなる前記圧電体層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項２】
前記中間層は、ペロブスカイト構造の複合酸化物からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項３】
前記気相成長法は、スパッタリング法であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項４】
前記中間層の厚さが２０〜１００ｎｍとなるように形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層は、それぞれ厚さが５００ｎｍ以下となるように形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項６】
電極と、前記電極の上方に形成された圧電体層とを備えた圧電素子であって、
前記圧電体層は、
ＣＳＤ法（Chemical Solution Deposition）により形成され、Ａサイトに、カリウム及びナトリウムを含み、Ｂサイトにニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電材料からなる第１圧電体層及び第２圧電体層と、
前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との間に設けられ、気相成長法により形成され、ニオブ酸カリウムナトリウム、鉄酸ビスマス、鉄酸マンガン酸ビスマス、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、又はチタン酸ビスマスナトリウムからなる中間層と、を備えることを特徴とする圧電素子。
【請求項７】
請求項６に記載の圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項７に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
【請求項９】
請求項６に記載の圧電素子を具備することを特徴とする超音波センサー。
【請求項１０】
請求項６に記載の圧電素子を具備することを特徴とする赤外線センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生じさせ、圧電体層と圧電体
層に電圧を印加する電極を有する圧電素子を具備する液体噴射ヘッド及びその製造方法、
液体噴射装置、並びに圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料
、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、２つの電極で挟んで構成されたもの
がある。このような圧電素子は、例えば撓み振動モードのアクチュエーター装置として液
体噴射ヘッドに搭載される。液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出
するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子に
より変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴として吐出させる
インクジェット式記録ヘッドがある。
【０００３】
このような圧電素子を構成する圧電体層（圧電セラミックス）として用いられる圧電材
料には高い圧電特性が求められており、代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）
が挙げられる（特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、環境問題の観点から、鉛の含有量を抑えた圧電材料が求められている。
そこで、鉛を含有しない圧電材料として、例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電
材料が提案されている（特許文献２参照）。ニオブ酸カリウムナトリウム系は、高い圧電
特性と、高いキュリー温度Ｔｃを示すものであり、非鉛圧電材料として有効なものである
。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２２３４０４号公報
【特許文献２】特開２００９−１０３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体層は、製造時にクラックが発生
しやすいという問題があり、厚さの厚い圧電体層を形成する際に特に問題となっていた。
【０００７】
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以
外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、液体噴射ヘッド
以外に用いられる圧電素子においても同様に存在する。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑み、環境負荷が小さく、クラックの発生が抑制された液体
噴射ヘッド及びその製造方法、液体噴射装置、並びに圧電素子を提供することを目的とす
る。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明の態様は、電極と、前記電極の上方に形成された圧電体層とを備えた圧電素子の製造方法であって、第１圧電体膜形成用組成物を塗布して第１圧電体前駆体膜を形成する工程及び該第１圧電体前駆体膜を加熱することにより結晶化させて第１圧電体膜を形成する工程を備え、Ａサイトに、カリウム及びナトリウムを含み、Ｂサイトにニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電材料からなる第１圧電体膜を有する第１圧電体層を前記第１電極上方に形成する工程と、気相成長法により、ニオブ酸カリウムナトリウム、鉄酸ビスマス、鉄酸マンガン酸ビスマス、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、又はチタン酸ビスマスナトリウムからなる中間層を、前記第１圧電体層上に形成する工程と、第２圧電体膜形成用組成物を塗布して第２圧電体前駆体膜を形成する工程及び該第２圧電体前駆体膜を加熱することにより結晶化させて第２圧電体膜を形成する工程を備え、Ａサイトに、カリウム及びナトリウムを含み、Ｂサイトにニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電材料からなる第２圧電体膜を有する第２圧電体層を前記中間層上に形成する工程と、を具備し、前記第１圧電体層、中間層、及び前記第２圧電体層からなる前記圧電体層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる態様では、ＣＳＤ法により第１圧電体層を形成した後、第１圧電体層上に気相成長法により中間層を形成し、中間層上にＣＳＤ法により第２圧電体層を形成することにより、ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電材料からなる圧電体層のクラックの発生を抑制した液体噴射ヘッドを製造することができる。また、鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減することができる。
【００１０】
前記中間層は、ペロブスカイト構造の複合酸化物からなるのが好ましい。これによれば、中間層と第１圧電体層及び第２圧電体層とが連続性に優れたものとすることができ、優れた圧電特性を有する圧電体層を備えた圧電素子を製造することができる。
【００１１】
本発明の好適な実施態様としては、前記中間層は、ニオブ酸カリウムナトリウム、鉄酸ビスマス、鉄酸マンガン酸ビスマス、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、又はチタン酸ビスマスナトリウムからなるものが挙げられる。これによれば、より優れた圧電特性を有する圧電体層を備えた圧電素子を製造することができる。
【００１２】
前記気相成長法は、スパッタリング法であるのが好ましい。これによれば、容易に中間
層を形成することができる。
【００１３】
前記中間層の厚さが２０〜１００ｎｍとなるように形成するのが好ましい。これによれ
ば、圧電体層の高い圧電特性を維持しつつ、クラックの発生を抑制することができる。
【００１４】
前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層は、それぞれ厚さが５００ｎｍ以下となるよう
に形成するのが好ましい。これによれば、圧電体層のクラックの発生をより確実に抑制す
ることができる。
【００１５】
本発明の他の態様は、  電極と、前記電極の上方に形成された圧電体層とを備えた圧電素子であって、前記圧電体層は、ＣＳＤ法（Chemical Solution Deposition）により形成され、Ａサイトに、カリウム及びナトリウムを含み、Ｂサイトにニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電材料からなる第１圧電体層及び第２圧電体層と、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との間に設けられ、気相成長法により形成され、ニオブ酸カリウムナトリウム、鉄酸ビスマス、鉄酸マンガン酸ビスマス、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、又はチタン酸ビスマスナトリウムからなる中間層と、を備えることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、圧電体層が、ＣＳＤ法により形成された第１圧電体層及び第２圧電体層との間に気相成長法により形成され中間層を含むことにより、ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電材料からなる圧電体層のクラックの発生を抑制することができる。また、鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減することができる。
【００１６】
本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド及びこの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、圧電体層のクラックの発生が抑制された液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を実現することができる。また、鉛を含有していないため、環境への負荷を低減することができる。
【００１７】
本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子を具備することを特徴とする超音波センサー及び赤外線センサーにある。
かかる態様では、圧電体層のクラックの発生が抑制された超音波センサー及び赤外線センサーを実現することができる。また、鉛を含有していないため、環境への負荷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】実施形態１に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。
【図４】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図７】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図８】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図９】実施例の圧電体層の断面をＳＥＭ観察した写真である。
【図１０】実施例のＸＲＤ測定結果を示すグラフである。
【図１１】実施例のＰ−Ｖ曲線を表す図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録
ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′線断
面図である。
【００２０】
本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二
酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。
【００２１】
流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、
流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連
通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及
び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のマニホールド
部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成す
る。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３か
ら圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態
では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側か
ら絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方
向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、流路形成基板１０に
は、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が
設けられていることになる。
【００２２】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反
対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や
熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラ
スセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
【００２３】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５
０が形成され、この弾性膜５０上には、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５が形成さ
れている。また、絶縁体膜５５上には、酸化チタン等からなり、絶縁体膜５５と第１電極
６０との密着性を向上させるための密着層５６が設けられている。
【００２４】
さらに、この密着層５６上には、第１電極６０と、厚さが１０μｍ以下、好ましくは０
．５〜１．５μｍの薄膜の圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素
子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び
第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通
電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成す
る。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧
電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障は
ない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる
振動板とを合わせてアクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０
、絶縁体膜５５、密着層５６、及び第１電極６０が振動板として作用するが、勿論これに
限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５、密着層５６等を設けなく
てもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
【００２５】
ここで、図３を用いて圧電体層７０について詳細に説明する。図３は、インクジェット
式記録ヘッドの要部拡大断面図である。圧電体層７０は、図３に示すように、第１圧電体
層７３と、中間層７６と、第２圧電体層７９と、からなる。
【００２６】
第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９は、ＣＳＤ法（Chemical Solution Deposition
）により形成されたものである。ＣＳＤ法とは、詳細については後述するが、圧電体膜形
成用組成物を塗布して圧電体前駆体膜を形成する工程と、圧電体前駆体膜を加熱すること
により結晶化させる工程と、を備えるものであり、例えば、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ法等が
挙げられる。
【００２７】
また、ＣＳＤ法により形成される第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９は、Ａサイト
にカリウム及びナトリウムを含み、Ｂサイトにニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸
化物を含む圧電材料からなるものである。Ａサイトにカリウム及びナトリウムを含み、Ｂ
サイトにニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸化物は、ＡＢＯ３型構造のＡサイトに
酸素が１２配位し、Ｂサイトに酸素が６配位して、８面体（オクタヘドロン）をつくって
おり、このＡサイトにカリウム（Ｋ）及びナトリウム（Ｎａ）が少なくとも位置し、Ｂサ
イトにニオブ（Ｎｂ）が少なくとも位置している。
【００２８】
本実施形態にかかる第１圧電体層７３や第２圧電体層７９の圧電材料としては、ニオブ
酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３、以下ＫＮＮとする）、ニオブ酸カリウム
ナトリウムリチウム（（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）ＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウムナト
リウムリチウム（（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ３）等のニオブ酸カリウムナトリ
ウム系のペロブスカイト構造の複合酸化物や、これらの複合酸化物と、鉄酸ビスマス（Ｂ
ｉＦｅＯ３、以下ＢＦＯとする）、鉄酸マンガン酸ビスマス（Ｂｉ（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ３）
、マンガン酸ビスマス（ＢｉＭｎＯ３）、ジルコン酸カルシウム（ＣａＺｒＯ３）、チタ
ン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ビスマス（ＢｉＴｉＯ３）、チタン酸ビスマス
ナトリウム（（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３）等の金属酸化物と、を含有するものが挙げられる
。なお、圧電材料がペロブスカイト構造の複合酸化物と金属酸化物とを含有する場合は、
金属酸化物がペロブスカイト構造の複合酸化物のＡサイトやＢサイトに位置していてもよ
く、ペロブスカイト構造の複合酸化物の粒界に存在していてもよい。
【００２９】
第１圧電体層７３と第２圧電体層７９とは、異なる材料からなるものであってもよいが
、同一材料からなるのが好ましい。本実施形態では、第１圧電体層７３及び第２圧電体層
７９は、それぞれ、ＫＮＮとＢＦＯとを含む圧電材料からなるものとした。
【００３０】
中間層７６は、第１圧電体層７３と第２圧電体層７９との間に設けられており、気相成
長法により形成されたものである。このように、ＣＳＤ法により形成される第１圧電体層
７３と第２圧電体層７９との間に、気相成長法により形成される中間層７６を設けること
により、圧電体層７０のクラックの発生を抑制することができる。ＣＳＤ法により形成さ
れる第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９には残留応力が生じるが、気相成長法により
形成される中間層７６により第１圧電体層７３や第２圧電体層７９で生じる残留応力を緩
和させることができるためである。すなわち、中間層７６を第１圧電体層７３と第２圧電
体層７９との間に設けることにより、残留応力に起因する圧電体層７０のクラックの発生
を抑制することができる。
【００３１】
気相成長法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レー
ザアブレーション法等のＰＶＤ法、プラズマ化学蒸着法、熱化学蒸着法、光化学蒸着法等
のＣＶＤ法が挙げられ、実用化という面からスパッタリング法が好ましい。
【００３２】
中間層７６の材料は、第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９と反応し難い材料である
のが好ましい。中間層７６の材料としては、例えば、ペロブスカイト構造の複合酸化物、
金属、金属酸化物等が挙げられ、ペロブスカイト構造の複合酸化物からなるのが好ましい
。ペロブスカイト構造の複合酸化物からなる中間層７６は、第１圧電体層７３及び第２圧
電体層７９がペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電材料からなるため、第１圧電体
層７３及び第２圧電体層７９との連続性に優れたものとなり、圧電体層７０が優れた圧電
特性を有するものとすることができるためである。また、ペロブスカイト構造の複合酸化
物は、導電性が低く、圧電体層７０にリーク電流の発生する虞がないためである。また、
中間層７６の材料は、第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９と同一の材料からなるのが
特に好ましい。これによれば、中間層７６と第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９との
連続性がより優れたものとなり、圧電体層７０が優れた圧電特性を有するものとすること
ができる。なお、中間層７６が金属からなる場合は、パターニングの際に圧電体層７０の
表面（側面）に中間層７６が露出しないように中間層７６を形成する必要がある。
【００３３】
中間層７６の材料となるペロブスカイト構造の複合酸化物は、特に限定されないが、Ｋ
ＮＮ、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム、ニオブ酸タンタル酸カリウムナトリウムリ
チウム等のペロブスカイト構造の複合酸化物、これらの複合酸化物と金属酸化物とを含む
もの等の第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９の材料として例示したものや、鉄酸ビス
マス、鉄酸マンガン酸ビスマス、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマ
スナトリウム、ジルコン酸カルシウム等の第１圧電体層７３や第２圧電体層７９の材料の
特性を改善させるものが好ましい。また、中間層７６の材料となる金属としては、白金（
Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）等が挙げられ、中間層７６の材料となる金
属酸化物としては、ランタンニッケルオキサイド、ストロンチウムルテニウムオキサイド
等が挙げられる。
【００３４】
上述したように、圧電体層７０は、ＣＳＤ法により形成された第１圧電体層７３、気相
成長法により形成された中間層７６、ＣＳＤ法により形成された第２圧電体層７９とから
なることにより、言い換えれば、ＣＳＤ法により形成された第１圧電体層７３及び第２圧
電体層７９の間に、気相成長法により形成された中間層７６を設けることにより、圧電体
層７０のクラックの発生を抑制することができる。ＣＳＤ法により形成された第１圧電体
層７３及び第２圧電体層７９は、詳しくは後述する結晶化工程（焼成工程）における収縮
率が大きく、残留応力が生じるという問題がある。特に、ＫＮＮ系のペロブスカイト構造
の複合酸化物を含む圧電材料からなる圧電体層の場合、チタン酸ジルコン酸鉛等からなる
圧電体層と比較して、結晶化工程における収縮率が大きいため残留応力が高く、クラック
が発生しやすい。さらに、ＫＮＮ系のペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電材料か
らなる圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛等からなる圧電体層と比較して、圧電特性が低
いため厚く形成する必要があり、クラックの発生が問題となる。本実施形態では、ＣＳＤ
法により形成された第１圧電体層７３と第２圧電体層７９との間に、気相成長法により形
成された中間層７６を備えることにより、圧電体層７０の残留応力を緩和することができ
、クラックの発生を抑制することができる。また、スパッタリング法のみで厚い圧電体層
７０を形成すると、コストがかかるという問題があるが、本実施形態では、圧電体層７０
がＣＳＤ法により形成された第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９と、気相成長法によ
り形成された中間層７６とからなることにより、低コストで製造することができる。
【００３５】
また、圧電体層７０は、上述した構成とすることにより、膜厚を厚くすることができる
。中間層７６の厚さは、例えば、２０〜１００ｎｍであるのが好ましい。これによれば、
圧電体層７０のクラックの発生をより確実に抑制することができる。ここで、中間層７６
の厚さは、１００ｎｍより大きくしてもよいが、２０〜１００ｎｍとすることにより、ク
ラックの発生を抑制する効果を十分に得ることができる。なお、中間層７６の厚さが２０
ｎｍ未満となると、クラックの発生を抑制するという効果を十分に得ることができない虞
がある。また、第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９の厚さは特に限定されないが、例
えば、それぞれ５００ｎｍ以下であるのが好ましい。これによれば、圧電体層７０のクラ
ックの発生をより確実に抑制することができる。
【００３６】
本実施形態では、中間層７６は、厚さが１００ｎｍであり、ＫＮＮとＢＦＯとからなる
ものとした。本実施形態では、中間層７６が第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９と同
一の組成からなるものとすることにより、第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９と連続
性に優れ且つ第１圧電体層７３及び第２圧電体層７９の圧電特性を低下させることがない
ため、圧電体層７０が優れた圧電特性を有するものとすることができる。したがって、本
実施形態にかかる圧電体層７０は、高い圧電特性を有し、クラックの発生が抑制されたも
のとなる。
【００３７】
このような圧電素子３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１４側
の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等か
らなるリード電極９０が接続されている。
【００３８】
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０
、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成
するマニホールド部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。こ
のマニホールド部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生
室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と
連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００を構成している
。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホー
ルド部３１のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力
発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば
、弾性膜５０、絶縁体膜５５、密着層５６等）にマニホールド１００と各圧力発生室１２
とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。
【００３９】
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻
害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２
は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封
されていても、密封されていなくてもよい。
【００４０】
このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例え
ば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板
１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００４１】
また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられて
いる。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔
３３内に露出するように設けられている。
【００４２】
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２
０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路
（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボン
ディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続され
ている。
【００４３】
また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプラ
イアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する
材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。
また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のマニホール
ド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、
マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００４４】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩでは、図示しない外部のインク
供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル
開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、
圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し
、弾性膜５０、絶縁体膜５５、密着層５６、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形
させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐
出する。
【００４５】
次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図４〜図
８を参照して説明する。なお、図４〜図８は、圧力発生室の長手方向の断面図である。
【００４６】
まず、図４（ａ）に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１
０の表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等からなる二酸化シリコン
膜を熱酸化等で形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に、酸化ジル
コニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。次に、絶縁体膜５５上に、酸化チタン等から
なる密着層５６を、反応性スパッタ法や熱酸化等で形成する。
【００４７】
次に、図５（ａ）に示すように、密着層５６上に、白金、イリジウム、酸化イリジウム
又はこれらの積層構造等からなる第１電極６０をスパッタリング法等により全面に形成す
る。
【００４８】
次いで、第１電極６０上に、圧電体層７０を積層する。まず、ＣＳＤ法により、Ａサイ
トに、カリウム及びナトリウムを含み、Ｂサイトにニオブを含むペロブスカイト構造の複
合酸化物を含む圧電材料からなる第１圧電体層７３を第１電極６０上に形成する。本実施
形態では、ＫＮＮとＢＦＯとを含む、言い換えれば、ＫＮＮとＢＦＯの混晶としての組成
を有する第１圧電体層７３を形成した。
【００４９】
第１圧電体層７３の具体的な形成手順例としては、まず、図５（ｂ）に示すように、金
属錯体、具体的には、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ビスマス（Ｂｉ）、ニオブ
（Ｎｂ）、及び鉄（Ｆｅ）を含有する金属錯体を、目的とする組成比になる割合で含むゾ
ルやＭＯＤ溶液（圧電体膜形成用組成物）を、スピンコート法、ディップコート法、イン
クジェット法などを用いて、第１電極６０上に塗布して第１圧電体前駆体膜７１を形成す
る（塗布工程）。
【００５０】
塗布する圧電体膜形成用組成物は、Ｋ、Ｎａ、Ｂｉ、Ｎｂ、Ｆｅをそれぞれ含む金属錯
体を、各金属が所望のモル比となるように混合し、該混合物を１−ブタノール等のアルコ
ールなどの有機溶媒を用いて溶解または分散させたものである。Ｋ、Ｎａ、Ｂｉ、Ｎｂ、
Ｆｅをそれぞれ含む金属錯体としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケト
ン錯体などを用いることができる。Ｋを含む金属錯体としては、例えば２−エチルヘキサ
ン酸カリウム、酢酸カリウム、カリウムアセチルアセトナート、カリウムエトキシドなど
が挙げられる。Ｎａを含む金属錯体としては、例えば２−エチルヘキサン酸ナトリウム、
酢酸ナトリウム、ナトリウムアセチルアセトナート、ナトリウムエトキシドなどが挙げら
れる。Ｂｉを含む金属錯体としては、例えば２−エチルヘキサン酸ビスマス、酢酸ビスマ
スなどが挙げられる。Ｎｂを含む金属錯体としては、例えばニオブエトキシド、２−エチ
ルヘキサン酸ニオブ、ニオブペンタエトキシドなどが挙げられる。Ｆｅを含む金属錯体と
しては、例えば２−エチルヘキサン酸鉄などが挙げられる。勿論、Ｋ、Ｎａ、Ｂｉ、Ｎｂ
、Ｆｅを二種以上含む金属錯体を用いてもよい。なお、各金属錯体は、各金属が所望のモ
ル比となるように混合すればよい。
【００５１】
次いで、この第１圧電体前駆体膜７１を所定温度（例えば１００〜２００℃）に加熱し
て一定時間乾燥させる（乾燥工程）。次に、乾燥した第１圧電体前駆体膜７１を所定温度
（例えば２５０〜５００℃）に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工
程）。なお、ここで言う脱脂とは、第１圧電体前駆体膜７１に含まれる有機成分を、例え
ば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。乾燥工程や脱脂工程の雰囲
気は限定されず、大気中でも不活性ガス中でもよい。
【００５２】
次に、図５（ｃ）に示すように、第１圧電体前駆体膜７１を所定温度、例えば５００〜
８００℃程度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、第１圧電体膜７２を
形成する（焼成工程）。この焼成工程においても、雰囲気は限定されず、大気中でも不活
性ガス中でもよい。
【００５３】
なお、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外
線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎ
ｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。
【００５４】
次に、図６（ａ）に示すように、第１圧電体膜７２上に所定形状のレジスト（図示無し
）をマスクとして例えば第１電極６０及び第１圧電体膜７２の１層目をそれらの側面が傾
斜するように同時にパターニングする。
【００５５】
次いで、レジストを剥離した後、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程
を備える圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことで、複数層の第１圧電体膜７２からなる
所定厚さの第１圧電体層７３を形成する。なお、塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程を複数
回繰り返した後に焼成工程を行ってもよい。ちなみに、本実施形態では、第１圧電体層７
３が複数層の第１圧電体膜７２で構成されたものについて説明し、図６（ｂ）に、第１圧
電体層７３が４層の第１圧電体膜７２からなるものを例示したが、第１圧電体層７３は１
層の第１圧電体膜７２からなるものであってもよい。
【００５６】
次に、図６（ｃ）に示すように、気相成長法により、中間層７６を第１圧電体層７３上
に形成する。本実施形態では、ＫＮＮとＢＦＯとを含む、言い換えれば、ＫＮＮとＢＦＯ
の混晶としての組成を有する中間層７６を形成した。中間層７６の製造方法としては、公
知の方法を用いることができ、例えば、特開２００９−４９３５５号公報に記載の方法に
より形成することができる。
【００５７】
次に、図６（ｄ）に示すように、ＣＳＤ法により、Ａサイトに、カリウム及びナトリウ
ムを含み、Ｂサイトにニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電材料から
なる第２圧電体層７９を中間層７６上に形成する。本実施形態では、ＫＮＮとＢＦＯとを
含む、言い換えれば、ＫＮＮとＢＦＯの混晶としての組成を有する第２圧電体層７９を形
成した。
【００５８】
第２圧電体層７９の製造方法は、第１圧電体層７３の製造方法と同様であるため、簡単
に説明する。第２圧電体層７９の具体的な形成手順例としては、まず、金属錯体、具体的
には、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ビスマス（Ｂｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、及び
鉄（Ｆｅ）を含有する金属錯体を、目的とする組成比になる割合で含むゾルやＭＯＤ溶液
（圧電体膜形成用組成物）を、スピンコート法、ディップコート法、インクジェット法な
どを用いて、中間層７６上に塗布して第２圧電体前駆体膜を形成する（塗布工程）。次い
で、この第２圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。次
に、乾燥した第２圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱
脂する（脱脂工程）。次に、第２圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持する
ことによって結晶化させ、第２圧電体膜７８を形成する（焼成工程）。上述した塗布工程
、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことで、
複数層の第２圧電体膜７８からなる所定厚さの第２圧電体層７９を形成する。なお、塗布
工程、乾燥工程及び脱脂工程を複数回繰り返した後に焼成工程を行ってもよい。ちなみに
、本実施形態では、図６（ｄ）に、第２圧電体層７９が４層の第２圧電体膜７８からなる
ものを例示したが、第２圧電体層７９は１層の第２圧電体膜７８からなるものであっても
よい。
【００５９】
このように第１圧電体層７３、中間層７６、及び第２圧電体層７９からなる圧電体層７
０を形成した後は、図７（ａ）に示すように、圧電体層７０上に白金等からなる第２電極
８０をスパッタリング法等で形成し、各圧力発生室１２に対向する領域に圧電体層７０及
び第２電極８０を同時にパターニングして、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０
からなる圧電素子３００を形成する。なお、圧電体層７０と第２電極８０とのパターニン
グでは、所定形状に形成したレジスト（図示なし）を介してドライエッチングすることに
より一括して行うことができる。その後、必要に応じて、６００℃〜８００℃の温度域で
ポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層７０と第１電極６０や第２電極８
０との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層７０の結晶性を改善することが
できる。
【００６０】
次に、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の全面に亘って、例え
ば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を形成後、例えば、レジスト等からなるマスク
パターン（図示なし）を介して各圧電素子３００毎にパターニングする。
【００６１】
次に、図７（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に
、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤
３５を介して接合した後に、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚さに薄くする。
【００６２】
次に、図８（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０上に、マスク膜５２を
新たに形成し、所定形状にパターニングする。
【００６３】
そして、図８（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５２を介
してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）すること
により、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び
連通路１５等を形成する。
【００６４】
その後は、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー１３０の外周縁部の
不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路
形成基板用ウェハー１１０の保護基板用ウェハー１３０とは反対側の面のマスク膜５２を
除去した後にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基
板用ウェハー１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハー１１
０等を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割することによっ
て、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩとする。
【００６５】
以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例
に限定されるものではない。
【００６６】
（実施例）
（圧電体膜形成用組成物の作成）
Ｋ、Ｎａ、Ｎｂの金属錯体を所定の割合で混合して、圧電体膜形成用組成物を得た。具
体的には、カリウムエトキシドと、ナトリウムエトキシドと、ニオブペンタエトキシドと
、を混合して、Ｋ：Ｎａ：Ｎｂのモル比が０．５：０．５：１であるＫＮＮ溶液を得た。
２−エチルヘキサン酸ビスマスと、２−エチルヘキサン酸鉄とを混合して、Ｂｉ：Ｆｅの
モル比が１：１であるＢＦＯ溶液を得た。ＫＮＮ溶液と、ＢＦＯ溶液とを混合して、ＫＮ
Ｎ：ＢＦＯのモル比が１００：３となるように混合し、圧電体膜形成用組成物を得た。
【００６７】
（圧電体素子の作成）
まず、シリコン基板の表面に熱酸化により二酸化シリコン膜を形成した。次に、二酸化
シリコン膜上にスパッタ法によりジルコニウム膜を作製し、熱酸化することで酸化ジルコ
ニウム膜を形成した。次に、酸化ジルコニウム膜上に２０ｎｍの二酸化チタンを積層し、
その上部に（１１１）面に配向した白金を１３０ｎｍ積層し、第１電極６０とした。
【００６８】
次いで、第１電極６０上に圧電体層７０を形成した。まず、スピンコート法により、第
１圧電体層７３を形成した。具体的には、上記圧電体膜形成用組成物を酸化チタン膜及び
第１電極６０が形成された上記基板上に滴下し、５００ｒｐｍで基板を回転させて５秒塗
布し、次に、２５００ｒｐｍで基板を回転させて２５秒塗布し、第１圧電体前駆体膜７１
を形成した（塗布工程）。次に１５０℃で２分間乾燥させ、３５０℃で４分間乾燥・脱脂
を行った（乾燥及び脱脂工程）。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を２回繰り返した後に
、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）で７００℃、５分間焼成
を行った（焼成工程）。次に、スパッタリング法により、第１圧電体層７３上にＰｔから
なる中間層７６を形成した。そして、第１圧電体層７３と同様の方法により、中間層７６
上に第２圧電体層７９を形成した。これにより、ＫＮＮとＢＦＯの混晶としての組成を有
する複合酸化物からなる厚さ３２９ｎｍの第１圧電体層と、Ｐｔからなる厚さ１００ｎｍ
の中間層と、ＫＮＮとＢＦＯの混晶としての組成を有する複合酸化物からなる厚さ３５７
ｎｍからなる第２圧電体層と、からなる圧電体層を形成した。
【００６９】
その後、圧電体層７０上に、ＤＣスパッタ法により膜厚１００ｎｍの白金膜を形成した
後、ＲＴＡを用いて６５０℃、５分間焼成を行うことで第２電極８０を形成し、圧電素子
３００を形成した。
【００７０】
（試験例１）
実施例において、第２電極を形成する前に、断面を５,０００倍の走査電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）により観察した。結果を図９に示す。これより、実施例において、第１圧電体層７
３、中間層７６、及び第２圧電体層７９からなる圧電体層が形成されているのが確認され
た。  
【００７１】
（試験例２）
実施例の圧電素子について、Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製の「Ｄ８  Ｄｉｓｃｏｖｅｒ」
を用い、Ｘ線源にＣｕＫα線を使用し、室温で、圧電体層の薄膜Ｘ線回折パターンを求め
た。その結果、実施例の圧電体層は、ペロブスカイト型構造（ＡＢＯ３型構造）を形成し
ており、その他の異相に起因するピークは観測されなかった。実施例の回折強度−回折角
２θの相関関係を示す図であるＸ線回折パターンを、図１０に示す。
【００７２】
（試験例３）
実施例の圧電素子３００について、東陽テクニカ社製「ＦＣＥ−１Ａ」で、φ＝５００
μｍの電極パターンを使用し、周波数１ｋＨｚの三角波を印加して、Ｐ（分極量）−Ｖ（
電圧）の関係を求めた。結果を図１１に示す。実施例では、強誘電性に由来する良好なヒ
ステリシスを示した。
【００７３】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定さ
れるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板１０として、シリコン
単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料
を用いるようにしてもよい。
【００７４】
また、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通
するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録
装置に搭載される。図１２は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である
。
【００７５】
図１２に示すように、インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１Ａ
及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ
、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付
けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１
Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出す
るものとしている。
【００７６】
そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を
介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキ
ャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５
に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙
等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになって
いる。
【００７７】
図１２に示す例では、インクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ、１Ｂは、それぞれ１
つのインクジェット式記録ヘッドＩを有するものとしたが、特にこれに限定されず、例え
ば、１つのインクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ又は１Ｂが２以上のインクジェット
式記録ヘッドを有するようにしてもよい。
【００７８】
なお、上述した実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッ
ドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、イン
ク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴
射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド
、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬ
ディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射
ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
【００７９】
本発明の圧電素子は、上述したように、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体
噴射ヘッドの圧電素子に好適なものであるが、これに限定されるものではない。例えば、
超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧電トランス、並びに赤外線センサ
ー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー及び焦電センサー等の各種センサー等
の圧電素子に適用することができる。
【符号の説明】
【００８０】
Ｉ  インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、  １０  流路形成基板、  １２  
圧力発生室、  １３  連通部、  １４  インク供給路、  ２０  ノズルプレート、  ２１
ノズル開口、  ３０  保護基板、  ３１  マニホールド部、  ３２  圧電素子保持部、
４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ５５  絶縁体膜、５６  密着層、  
６０  第１電極、  ７０  圧電体層、  ７３  第１圧電体層、  ７６  中間層、  ７９  
第２圧電体層、  ８０  第２電極、  ９０  リード電極、  １００  マニホールド、  １
２０  駆動回路、  ３００  圧電素子
【図１】
0005668473.tif 000002
【図２】
0005668473.tif 000003
【図３】
0005668473.tif 000004
【図４】
0005668473.tif 000005
【図５】
0005668473.tif 000006
【図６】
0005668473.tif 000007
【図７】
0005668473.tif 000008
【図８】
0005668473.tif 000009
【図１０】
0005668473.tif 000010
【図１２】
0005668473.tif 000011
【図９】
0005668473.tif 000012
【図１１】
0005668473.tif 000013